纵坡比计算-河流水文学

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1、天津大学建工学院河流水文学1第一章 绪论第一节 河流水文学研究对象第二节 河流水文学的研究方法第三节 河流的形成与补给2第一节 河流水文学研究对象1.概念河流水文学：就是研究河流中所发生的 各种水文现象的基本规律，流域产流与 汇流，河流资源的利用以及人类活动与 河流生态系统的关系等。32.河流水文学的主要研究对象洪水与枯水热状态与冰情水化学与水质泥沙运动流域地形地貌河流形势以及河床演变河流资源可持续利用人类活动与河流生态系统关系43.河流水文学研究对象的发展过程河流水文学是随着生产的发展和科技的进步 而不断丰富的，其发展过程大致分为四个阶段 ： 1）19世纪，基于牛顿力学，于1856年提出了描

2、 述渗流运动的Darcy定律，于1871年提出了描 述明渠缓变不稳定流的St.Venant方程组。这两个理论为河流水文学奠定了理论基 础。52）20世纪初50年代由于生产力的发展，人们期望能更科学地 了解和掌握河流洪水和枯水变化规律，以便能 预测预报未来洪水与枯水情况，在河流上修建 水利工程，达到控制洪水、调节枯水、减少灾 害造成生命财产损失的目的。在此基础上，使得流域产流与汇流、河流 洪水与枯水，河流泥沙，河流冰情等成为河流 水文学的主要研究对象。63）20世纪60年代70年代计算机的发明与应用引发了信息革命，带 来了现代科学技术的突飞猛进。经济的迅速发 展和人口的快速增加，使一些国家和地区

3、出现 了水危机，水资源的紧缺成为经济社会发展的 制约因素，加强水资源形成变化规律和河流水 量合理开发利用的研究，成为河流水文学的主 要任务。同时，经济的发展，也造成了水体的污染 ，因此，如何防治河流污染，保护河流水质， 也成为河流水文学的研究对象。74）20世纪80年代以来全球气候变化及大气、海洋与陆地相 互作用过程的研究，引起了科学家的广 泛兴趣，认为波及许多国家和地区的水 危机和洪涝灾害，与全球气候变化异常 有关。于是提出了全球尺度水文学，这 将为河流水文学提供新的研究课题。8第二节 河流水文学的研究方法1.河流水文学的研究方法包括以下四个： 1）科学实验 2）数学模型 3）确定性与随机性

4、方法的结合 4）多学科的交叉与渗透91）科学实验包括：原型观测实验如水文站网进行观测， 实验河段、流域等。物理模型实验（属于室内实验）如水 文实验室，河流比尺模型等。102）数学模型包括：数学物理模型，就是根据物理定律，建立 河流水文要素时空变化数学方程式，然后求其 解的一种模型，如St.Venant方程组。概念性模型，基于一定的物理成因概念， 从河流水文现象的宏观表现上进行数学模拟， 称为概念性模型。如流域汇流概念性模型，就 是在汇流计算过程中，并不主要追求产生这些 现象的物理原因，而是去探索一些模拟元件， 然后应用这些元件按某种排列组合来模拟流域 汇流。113）确定性与随机性方法的结合比如

5、河川径流量在一年之内，有丰、枯 水期的变化，在年与年之间有多水年， 少水年的变化，这些是确定性表现。而 径流在未来某一时刻将出现什么量值， 是不能事先确切预知的，这是随机性的 表现。124）多学科的交叉与渗透河流水文学是一门综合性学科，除基 础学科外，水动力学、热力学、环境科 学、地球科学以及计算机科学等都影响 着河流水文学的发展。13第三节 河流的形成与补给1.定义河流：是陆地上水流的通道，是溪、 川、河、江等的总称。河流是气候的产物，它深刻地指出了 自然界河流形成的充分而必要的条件是 降水。 14但不同地区河流水量的补给来源是不 同的。主要包括以下几种： 1）地面水补给 2）地下水补给 3

6、）冰雪补给 4）地面水和地下水混合补给 5）降雨和冰雪混合补给等151）地面水补给162）地下水补给173）冰雪补给184）地面水和地下水混合补给195）降雨和冰雪混合补给20根据以上讨论，河流中某一断面流量的 组成可用下式表达：式中:Q为河流某断面的流量；Qs为降雨补给形 成的地面水流量；Qg为地下水补给的流量；Qi 为冰雪融化水补给的流量；Qw为其他形式补给 的流量。21第二章 河系及流域地貌第一节 引言 第二节 河系的拓扑学特征 第三节 河系的几何学特征 第四节 流域的形状特征 第五节 流域的结构特征 第六节 河系的随机模拟 第七节 数字高程模型(DEM)及应用 22第一节 引言1.概念

7、 流域：河流某一断面的集水区域，也就是分水线 包围的区域，它由河系及坡地组成。 分水线：通常是由流域四周的山脊线以及由山脊 通至流域出口断面的流线所组成。 河系：由大大小小的河流汇合而成，是流域的水 域部分。 坡地：是流域的陆域部分，具有一定的地质、土 壤、植被等条件。23242526分水线有地面地下之分，当地面分水 线与地下分水线相重合，称为闭合流域 ，否则为不闭合流域。在实际工作中，除有石灰岩溶洞等特 殊的地质情况外，对于一般流域，当对 所论问题无太大影响时，多按闭合流域 考虑。272.河流基本特征河流的分段及其特点： 每条河流一般都可分为河源、上游、中游、下游、河口等五个分段。 (1）河

8、源。河流开始的地方，可以是溪涧、泉水、冰川、沼泽或湖泊等。 (2）上游。直接连着河源，在河流的上段，它的特点是落差大，水流急，下切力 强，河谷狭，流量小，河床中经常出现急滩和瀑布。 (3)中游。中游一般特点是河道比降变缓，河床比较稳定，下切力量减弱而旁蚀力 量增强，因此河槽逐渐拓宽和曲折，两岸有滩地出现。 (4)下游。下游的特点是河床宽，纵比降小，流速慢，河道中淤积作用较显著，浅 滩到处可见，河曲发育。 (5)河口。河口是河流的终点，也是河流流入海洋、湖泊或其它河流的入口，泥沙 淤积比较严重。281）河流长度：自河源沿主河道至河口的距 离，简称河长，以km计。 2）河流断面河流断面分为横断面和

9、纵断面。垂直于水流方向的断面称为横断面。29断面内自由水面高出某一水准基面的高程称为 水位。枯水期水流所占部分为基本河床，或称为主 槽，洪水泛滥所及部分为洪水河床，或称为滩地。断面内通过水流的部分称为过水断面，其面积 称为过水断面面积，以m2计。30河流中沿水流方向各断面最大水深点的连线称 为中泓线，沿中泓线的断面称为河流的纵断面。河流纵断面能反映河床的沿程变化。常以纵坡 或比降加以概括。一般河流上游比降陡，下游比 降缓，因而流速与水流输沙能力自上而下逐渐减 小。 黄河上游平均比降约为1/1000；中游为 1/1400；下游为1/80001/10000。 31n河道纵比降任意河段两端（水面或河

10、底）的高差 称为落差， 单位河长的落差称为河道纵比降，简称比降。当河段纵断面近于直线时，比降计算公式为：32当河底高程沿程变化时，可在纵断面图上从下断面河床处 作一斜线，使斜线以下的面积与原河底线以下面积相等，该斜线 的坡度即为河道的平均比降，计算公式为：333.流域基本特征流域面积：流域分水线包围区域的平面投影面积，称 为流域面积，记为F，以km2计。河网密度：流域内河流干支流总长度与流域面积的比 值称为河网密度，以km/km2计。流域的长度：就是流域轴长，以流域出口为中心向河 源方向作一组不同半径的同心圆，在每个圆与流域分 水线相交处作割线，各割线中点的连线的长度即为流 域的长度，以km计

11、。流域面积与流域长度之比称为流域平均宽度，以km计 。34n流域形状系数：流域平均宽度与流域长度之比 称为流域形状系数。扇形流域的形状系数较大 ，狭长形流域则较小，所以流域形状系数在一 定程度上以定量的方式反映流域的形状。n将流域地形图划分为100个以上正方格，依次 定出每个方格交叉点上的高程以及与等高线正 交方向的坡度，取其平均值即为流域的平均高 度和平均坡度。354.流域出口断面流量过程线流量过程线除了与降雨特性有关外， 还受到河系及流域地貌的制约。比如在流域面积相同和降雨特性相同 的情况，羽毛形状的河系产生的出流过 程线比扇形河系矮胖。 36375.河系地貌一般涉及拓扑学和几何学两个方面

12、。 河流数、链、分叉性等是河系的拓朴学 特征；河流的长度、坡度、落 差、横断 面、平面弯曲等是河系的几何持征。386.流域地貌一般应从其形状和结构两方面来描述 。 描述流域形状的有面积、大小、形状 、起伏、方位等，描述流域结构的有河 网密度、高程等。 39河系及流域的定量地貌学研究是从Horton 开始的，他在1945年发表的“河系及其流域的 浸蚀发展：定量地貌学的水文物理途径”是这 方面的先导。20世纪60年代末以来的大量研究表明，流 域水文响应与河系及流域地貌有密切关系，根 据地貌形成机理和内在关系探索流域水文响应 已成为一个富有吸引力的研究途径。 40第二节 河系的拓扑学特征在自然界所观

13、察到的天然河系一般可 表达成二分叉树的形状。41“树根”称为河系的出口，且只有一个。“树枝”的顶端 称为河源，简称源。源的总数是河系量级的表示，即源 越多，河系的量级就越大。两条河流的交汇点称为节点。相邻节点间、出口与相邻节点间以及源与相邻节点之 间的河段称为链。其中相邻节点间和出口与相邻节点之间的河段称为内 链，而源与相邻节点之 间的河段称为外链。一个量级为M的二分叉树，必有M个源、M条外链和 (M-1)条内链，链的总数为(2M-1)条。 421.河流分级共有5种不同的序列命名法，这也代表了序 列命名法的不同发展阶段。 （1）Gravelius分级法（1914）规定：在任一河系中，最大的主流

14、为1级河流 ，汇入主流的最大支流为2级河流，汇入大支 流的小支流为3级河流，依次类推，即可把河 系所有的河流命名完毕。 43按照Gravelius分级法，河流越小， 则序号越大，这显然存在着缺点，不仅 难以区分河系的主流和支流，而且在大 小不同的两个流域内，同样为1级的河流 可能相差很大，故现在已不再采用这种 分级法。 44（2）Horton分级法（1945）规定：将最小的不分叉的河流称为1 级河流，只接纳1级河流汇入的河流称为 2级河流。接纳1、2两级河流汇入的河流 称为3级河流，依次类推，直至将河系中 大小河流命名完毕。 45Horton分级法虽然克服 了Gravelius分级法的主 要缺

15、点，但也存在一些 不妥之处。例如，按照 Horton分级法，2级以 上的河流可以一直延伸 到河源，但实际上它们 的最上游都具有1级河 流的特征。46（3）Strahler分级法（1953）规定：从河源出发的河流为1级河 流，同级的两条河流交汇所形成的河流 的级要增加1级，不同级的两条河流交汇 所形成的河流的级为两者中较高者。 47Strahler分级法与Horton分 级法之间的关系为：每条w 级Horton河流由w条1至w 级的Strahler河流首尾相连 而成，而每条Strahler河流 只是一条Horton河流的一 部分。这就表明，Strahler 分级法不可能像Horton分 级法一样

16、，把较高级河流 一直延伸到河源，从而总 是把通过全流域水量及泥 沙量的河流作 为一个河系 的最高级河流。48Strahler分级法的主要不足是不 能反映流域内河流级愈高通过的径 流量和泥沙量一般也愈大的事实。 Shreve分级法和Scheidegger分级法 就是为弥补这一缺点而提出来的。 49（4）Shreve分级法（1966）规定：将最小的不分叉的河流定义为 1级河流，两条河流交汇所形成的河流 的级为这两条河流级的代数和。 5051（5）Scheidegger分级法（1967）规定：该法原则与Shreve分级法相 同，差别仅在于把最小的不分叉的河流 定义为2级河流，这样，河系中所有的河 流的级均为偶数。 52532.流域分级流域分级的原则与河流分级的原则相 同，以Strahler分级法为例，1级河流汇 水范围即为1级流域，2级河流的汇水范 围即为 2级流域，依次类推，最高级河 流的汇水范围即为全流域。可见流域级 就是其中最高